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CN114499123A - 电源转换器的控制电路 - Google Patents

电源转换器的控制电路 Download PDF

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CN114499123A
CN114499123A CN202011259103.1A CN202011259103A CN114499123A CN 114499123 A CN114499123 A CN 114499123A CN 202011259103 A CN202011259103 A CN 202011259103A CN 114499123 A CN114499123 A CN 114499123A
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张志廉
洪伟修
卢俊名
赖敏瑞
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UPI Semiconductor Corp
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Abstract

一种电源转换器的控制电路，包括感测电路、斜坡信号产生电路及脉宽调变电路。感测电路耦接输出电路，以提供感测电流。斜坡信号产生电路包括瞬变电路与信号产生电路。瞬变电路耦接于感测电路与信号产生电路之间，以接收感测电流且产生可变的参考电压。信号产生电路依据可变的参考电压提供斜坡信号。脉宽调变电路耦接斜坡信号产生电路与输出电路，且依据斜坡信号提供脉宽调变信号至输出电路。当抽载发生时，抽载持续第一预设时间，在抽载时存在瞬变状态，瞬变状态持续第二预设时间，第二预设时间小于第一预设时间，瞬变电路在第二预设时间所提供的可变的参考电压由预设值改变为调整值，瞬变电路并在第二预设时间后恢复可变的参考电压为预设值。本发明可提升电路设计的自由度并提供稳定的输出。

Description

电源转换器的控制电路
技术领域
本发明与电源转换器有关，尤其是关于一种电源转换器的控制电路。
背景技术
如图1所示，图1为一种电源转换器，此系统利用输出电压VOUT进行电压回授控制与输出电流VOUT进行电流回授控制。在电压回授控制的部分，误差放大器EA及补偿电路COM根据输出电压VOUT与参考电压VREF产生补偿信号COMP。在电流回授控制的部分，此系统则会将各相输出电流IL1、IL2加总的总输出电流IL的信息加到斜坡信号RAMP上，以改变斜坡信号RAMP的波形。此外，比较器CP比较补偿信号COMP与斜坡信号COMP，藉以产生脉宽调变信号PWM，控制输出电路OS将输入电压VIN转换为输出电压VOUT。
如图1及图2所示，上述电源转换器将总输出电流(电感电流)IL的信息以直流偏移(DC offset)OFF的形式加在斜坡信号RAMP上，在时间t1时因外部抽载而发生瞬变，总输出电流IL为了供应外部抽载所需的电流而往上拉升，而输出电压VOUT亦因外部抽载而往下掉。此时与输出电压VOUT相关的补偿信号COMP因输出电压VOU往下掉而上升，且总输出电流IL提供的直流偏移亦使得斜坡信号RAMP被抬高。由于斜坡信号RAMP的振幅固定，使得补偿信号COMP与斜坡信号RAMP相交的位置亦被抬高，经由此回授控制使得输出电压VOUT产生下垂(Droop)现象。换句话说，系统在瞬变时不用强力拉高输出电压VOUT，从而消除输出电压VOUT的振铃(ringing)现象，得以快速稳定输出电压VOUT，达到缩短瞬变响应的功效。
然而，由于系统有着余量(headroom，工作电压VCC至接地的压差)的限制，上述技术缺点在于：斜坡信号RAMP会随输出电流IL的抽载程度被抬高，且在时间t1到时间t5的抽载期间会维持在被抬高的状态，一旦抽载过重时，斜坡信号RAMP的位置会受到工作电压VCC的限制而达到上限，导致抽载受限而无法再加重。详细而言，由于斜坡信号RAMP的振幅相同且其受限于工作电压VCC，当抽载更重时，输出电流IOUT的信息会因为余量不足而无法完全叠加在斜坡信号RAMP上，导致上述的电流回授控制机制出现异常而无法消除振铃现象，即使在时间t4进入稳态，输出电压VOUT仍会无法恢复至抽载前的位准。直到时间t5卸除后，回授控制与输出才恢复正常运行状态。由上述可知：现有技术的电路设计受到余量的限制，导致系统应付抽载的输出能力受限。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种电源转换器的控制电路，以有效解决现有技术所遭遇到的上述问题。
根据本发明的一具体实施例为一种电源转换器的控制电路。在此实施例中，控制电路耦接输出电路。控制电路包括感测电路、斜坡信号产生电路及脉宽调变电路。感测电路耦接输出电路，以提供电流感测信号。斜坡信号产生电路包括瞬变电路与信号产生电路。瞬变电路耦接于感测电路与信号产生电路之间。瞬变电路接收电流感测信号且产生可变的参考电压。信号产生电路依据可变的参考电压提供斜坡信号。脉宽调变电路耦接斜坡信号产生电路与输出电路，且依据斜坡信号提供脉宽调变信号至输出电路。当抽载发生时，抽载持续第一预设时间。在抽载时存在瞬变状态。瞬变状态持续第二预设时间。第二预设时间小于第一预设时间。瞬变电路在第二预设时间所提供的可变的参考电压由预设值改变为调整值，瞬变电路并在第二预设时间后恢复可变的参考电压为预设值。
在本发明的一实施例中，瞬变电路包括滤波器。可变的参考电压为斜坡信号的顶点电压。
在本发明的一实施例中，瞬变电路包括滤波器。滤波器耦接感测电路，接收参考电压与电流感测信号，以产生可变的参考电压。
在本发明的一实施例中，滤波器包括电阻与电容，第二预设时间与电阻及电容产生的电阻-电容延迟有关。
在本发明的一实施例中，瞬变电路包括滤波器及信号转换电路。滤波器包括电阻及电容。电阻与电容串接于接地端与感测电压之间。感测电压与电流感测信号有关。信号转换电路分别耦接至电阻两端的第一节点与第二节点，以根据第一节点与第二节点之间的电压差提供可变的参考电压。
在本发明的一实施例中，第二预设时间与电阻及电容产生的电阻-电容延迟有关。
相较于现有技术，本发明的电源转换器的控制电路中的斜坡信号的顶点电压会随着瞬变状态结束进入稳态而恢复至预设电压，使得斜坡信号不会因抽载压缩导致控制回路失效，故可克服传统的斜坡信号受限于工作电压(VCC)余量的缺点，以大幅提升电路设计的自由度。此外，本发明的电源转换器的控制电路在抽重载期间的输出电流回授控制不会失效，故能提供稳定的输出。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
附图说明
图1为现有技术中的电源转换器的功能方块图。
图2为现有技术中的电源转换器的暂态响应波形图。
图3及图4分别为本发明的控制电路应用于单相(Single-phase)及双相(Two-phase)的电源转换器的不同实施例。
图5为本发明中的电源转换器的暂态响应波形图。
图6为本发明的瞬变电路的另一实施例。
图7为图6瞬变电路中的信号转换电路的实施例。
主要元件符号说明：
VCC：工作电压
t1～t6：时间
2、3：电源转换器的控制电路
20、30：感测电路
21、31：脉宽调变电路
22、32：斜坡信号产生电路
23、33：误差放大器
24、34：比较器
25、35：脉宽调变逻辑电路
200、300、302：放大器
202、304、306：电流镜
220、320：瞬变电路
222、322：信号产生电路
CSP、CSP1、CSP2：电流指示信号
CSN、CSN1、CSN2：电流指示信号
IL、IL1、IL2：感测电流
VL：感测电压
R：电阻
GND：接地端
221、321、60、70：滤波器
C、C2：电容
VREF：预设电压
N1、N2：节点
ACV：可变的参考电压
VB：电压源
SW：开关
TRIG：触发信号
INO：电流源
VEAP：参考电压
VFB：输出回授电压
ERR：误差放大信号
26、36：补偿电路
COMP：补偿信号
RAMP：斜坡信号
PWM：脉宽调变信号
OS、OS1、OS2：输出电路
D1：驱动器
D2：驱动器
M1：开关
M2：开关
VIN：输入电压
L：输出电感
IOUT：输出电流
VOUT：输出电压
R1：分压电阻
R2：分压电阻
RESR：输出电阻
COUT：输出电容
SCC：信号转换电路
6：瞬变电路
VN1：节点电压
BF1：电压随耦器
BF2：电压随耦器
M：开关
CM：电流镜
R3：电阻
R4：电阻
具体实施方式
现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。在图式及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
根据本发明的一具体实施例为一种电源转换器的控制电路。在此实施例中，控制电路可应用于单相(Single-phase)或多相(Multi-phase)的电源转换器，端视实际需求而定。
请参照图3，图3为电源转换器的控制电路应用于单相的电源转换器的示意图。如图3所示，电源转换器的控制电路2耦接输出电路OS。分压电阻R1与R2串接于输出电路OS与接地端GND之间。输出电容COUT与等效于其寄生电阻的输出电阻RESR亦串接于输出电路OS与接地端GND之间。
输出电路OS包括驱动器D1～D2、开关M1～M2及输出电感L。驱动器D1耦接于控制电路2与开关M1的控制端之间。驱动器D2耦接于控制电路2与开关M2的控制端之间。开关M1与M2串接于输入电压VIN与接地端GND之间。输出电感L的一端耦接至开关M1与M2之间且输出电感L的另一端耦接至输出电阻RESR及分压电阻R1。
控制电路2包括感测电路20、脉宽调变电路21及斜坡信号产生电路22。脉宽调变电路21包括误差放大器23、比较器24、脉宽调变逻辑电路25及补偿电路26。感测电路20耦接输出电路OS及斜坡信号产生电路22。斜坡信号产生电路22耦接感测电路20及比较器24的一输入端。误差放大器23的一输入端耦接至电阻R1与R2之间且另一输入端接收参考电压VEAP。误差放大器23的输出端耦接补偿电路26。补偿电路26耦接至比较器24的另一输入端。比较器24的输出端耦接至脉宽调变逻辑电路25。脉宽调变逻辑电路25耦接至输出电路OS。
误差放大器23的两输入端分别接收参考电压VEAP与电源转换器的输出回授电压VFB，以提供误差放大信号ERR。补偿电路26耦接误差放大器23与比较器24，对误差放大信号ERR进行补偿成为补偿信号COMP。
误差放大器23的一输入端所接收的输出回授电压VFB为分压电阻R1与R2之根据电源转换器的输出电压VOUT产生的分压，但不以此为限。误差放大器23为转导放大器(Trans-impedance amplifier)，其提供的误差放大信号ERR为电流形式，但不以此为限。
感测电路20用以接收与输出电路OS的输出电流IOUT有关的电流指示信号CSP/CSN，并提供电流感测信号。在此实施例中，电流指示信号为一组电压形式的电流指示信号CSP/CSN。感测电路20包括放大器200及电流镜202。放大器200的两输入端接收电流指示信号CSP/CSN并输出比较结果控制具有1:1比例的电流镜351产生电流形式的电流感测信号(即感测电流IL)。
在实际应用中，电阻R耦接于电流镜202与接地端GND之间。当电流镜202所输出的感测电流IL流经电阻R时，会在电阻R耦接于电流镜202的端点形成电压形式的电流感测信号(即感测电压VL)。
斜坡信号产生电路22包括瞬变电路220与信号产生电路222。瞬变电路220耦接于感测电路20与信号产生电路222之间，用以接收感测电路20所提供的感测电流IL，并在抽载造成的瞬变发生时提供可变的参考电压ACV至信号产生电路222。信号产生电路222依据可变的参考电压ACV提供斜坡信号RAMP至比较器24的一输入端。
当抽载造成瞬变发生时，瞬变电路220所提供的可变的参考电压ACV会在瞬变发生时由一预设值改变为一调整值，再渐变恢复为预设值。换言之，原本为预设值的可变的参考电压ACV会在瞬变状态下改变为调整值以应付抽载，但会立即从调整值逐渐变回至原来的预设值，由以避免斜坡信号RAMP被余量限制的缺点，故可大幅提升电路设计的自由度。
在此实施例中，瞬变电路220包括滤波器221及电压源VB。滤波器221耦接感测电路20及信号产生电路222。当滤波器221分别接收到感测电压VL及电压源VB提供的预设电压VREF时，滤波器221对感测电压VL进行滤波，并且滤波后的感测电压VL会叠加至预设电压VREF而产生可变的参考电压ACV至信号产生电路222。换句话说，在抽载持续的第一预设时间内，在抽载时存在瞬变状态。瞬变状态持续第二预设时间，而第二预设时间小于第一预设时间。在第二预设时间内，参考电压ACV由预设值改变为调整值，并在第二预设时间后恢复为预设值。
滤波器221可以是由电阻R与电容C2组成的高通滤波器(High-Pass Filter,HPF)，电阻R耦接于电压源VB与节点N1之间；电容C的一端耦接至节点N1且其另一端耦接至电流镜202与电阻R之间，但不以此为限。值得一提的是，通过选用电阻R及电容C而产生的电阻-电容延迟，可用以设定参考电压ACV由调整值渐变为预设值的第二预设时间。
在此实施例中，信号产生电路222包括开关SW、电容C及电流源INO。开关SW耦接于瞬变电路220与比较器24的一输入端之间，接收参考电压ACV并受控于比较器24所提供的触发信号TRIG，在触发信号TRIG使开关SW导通时，将斜坡信号RAMP复位为参考电压ACV的电压位准。换言之，参考电压ACV被当作斜坡信号RAMP的顶点电压。电容C的一端耦接至开关SW与比较器24之间且其另一端耦接至接地端GND，电容C的容值决定斜坡信号RAMP的振幅。电流源INO的一端耦接至开关SW与比较器24之间且其另一端耦接至接地端GND，以对电容C放电从而产生具有下降斜率的斜坡信号RAMP。
比较器24的两输入端分别接收斜坡信号RAMP与补偿信号COMP，并产生触发信号TRIG至脉宽调变逻辑电路25及信号产生电路222中的信号产生电路222。
接着，脉宽调变逻辑电路25会依据触发信号TRIG提供脉宽调变信号PWM至输出电路OS，以控制输出电路OS的运作。详细而言，当输出电路OS中的驱动器D1及D2接收到脉宽调变信号PWM时，驱动器D1及D2分别根据脉宽调变信号PWM控制开关M1及M2的开启或关闭，以在输出电感L形成电感电流IL并产生输出电压VOUT。
接着，请参照图4，图4为电源转换器的控制电路应用于双相的电源转换器的示意图。如图4所示，控制电路3分别耦接输出电路OS1～OS2。分压电阻R1与R2串接于输出电路OS1～OS2与接地端GND之间。输出电容COUT与等效于其寄生电阻的输出电阻RESR亦串接于输出电路OS1～OS2与接地端GND之间。
控制电路3包括感测电路30、斜坡信号产生电路32、误差放大器33、补偿电路36、比较器34及脉宽调变逻辑电路35，与前述的控制电路2的相应元件相同，在此不另行赘述。
在此实施例中，脉宽调变逻辑电路35根据触发信号TRIG分别产生脉宽调变信号PWM1～PWM2至输出电路OS1～OS2，以分别控制输出电路OS1～OS2的运作。感测电路30包括放大器300、302及电流镜304、306。
放大器300的两输入端接收与输出电路OS1的输出电流有关的电流指示信号CSP1/CSN1并输出比较结果控制具有1:1比例的电流镜304产生输出电路OS1的感测电流IL1。同理，放大器302的两输入端接收与输出电路OS2的输出电流有关的电流指示信号CSP2/CSN2并输出比较结果控制具有1:1比例的电流镜306产生输出电路OS2的感测电流IL2。感测电路30输出感测电流IL1与感测电流IL2加总后的感测电流IL至斜坡信号产生电路32。
在实际应用中，电阻R的一端分别耦接电流镜304及电流镜306且其另一端耦接至接地端GND，感测电流IL1与感测电流IL2加总后的感测电流IL流经电阻R而在电阻R的一端形成感测电压VL。除了前述的单相及双相的电源转换器之外，本发明的控制电路还可依此类推进一步应用于多相(Multi-phase)的电源转换器，并无特定的限制。
请参照图5，图5为本发明的双相的电源转换器的暂态响应波形图。需说明的是，图5与现有技术的图2中的双相的电源转换器均为双通道应用、在相同的抽载条件(假设每个通道供应的电感电流IL1～IL2均为35安培，故加总后的电感电流IL为70安培，未绘示)下进行。斜坡信号RAMP的振幅为0.75伏特且工作电压VCC为4伏特。
如图5所示，在时间t1之前，由于抽载尚未开始，两个通道的电感电流IL1～IL2均未上升，使得输出电压VOUT、补偿信号COMP及斜坡信号RAMP均维持稳定状态且斜坡信号RAMP的顶点电压(即参考电压ACV)小于工作电压VCC(4伏特)。
在时间t1时，抽载开始，两个通道的电感电流IL1～IL2均上升(亦即加总后的电感电流IL亦上升)，使得输出电压VOUT因抽载而下降，补偿信号COMP则随着输出电压VOUT的下降而上升，参考电压ACV在上升后随即逐渐恢复为预设值。
在时间t2至t3期间内，由于电感电流IL的回授信息使得参考电压ACV大于工作电压VCC(4V)，导致斜坡信号RAMP的波形受限制，故在此期间内仅能靠输出电压VOUT的回授信息进行控制。需说明的是，在时间t2至t3期间内，电感电流IL的回授信息无法对斜坡信号RAMP产生影响，故在此期间的电源转换器的表现与现有技术相同，但由于斜坡信号产生电路22中的瞬变电路220使参考电压ACV在瞬变发生后立即渐变回预设电压3.75V，故t2至t3的期间很短。
在时间t3时，参考电压ACV低于工作电压VCC(4V)，此时电感电流IL的回授信息被加入回授控制中，使得输出电压VOUT不会出现振铃(ringing)现象。
在时间t4时，输出电压VOUT已爬升至与图2所示现有技术进入稳态时相同的输出电压位准(1.09伏特)。在时间t5时，瞬变状态结束，输出电压VOUT已恢复至抽载前的稳态输出电压位准(1.1伏特)且斜坡信号RAMP与补偿信号COMP均趋于稳定状态。
由上述可知：在第一预设时间(时间t1到时间t6)的抽载期间中，本发明的电源转换器的控制电路通过在瞬变后调整斜坡信号RAMP的顶点电压的方式，使得斜坡信号RAMP与补偿信号COMP的交点在第二预设时间(时间t1到时间t5)的瞬变状态中，随时间逐渐恢复至稳定值，由以让斜坡信号RAMP的顶点电压不会受到工作电压VCC的限制，进而提升电路设计的灵活性。换言之，本发明的电源转换器的控制电路在抽重载时仍能有效消除输出电压VOUT的振铃(ringing)现象，以提供稳定的输出。
请参照图6，在另一实施例中，瞬变电路6包括滤波器60及信号转换电路SCC。滤波器60包括电阻R及电容C，串接于接地端GND与感测电压VL之间。电阻R位于节点N1与N2之间。电容C耦接于节点N1与接地端GND之间。信号转换电路SCC分别耦接节点N1、N2及预设电压VREF。节点N2耦接感测电压VL。信号转换电路SCC根据电阻R两端的节点N1与N2之间的跨压变化将感测电压VL转换为可变的参考电压ACV，用以作为斜坡信号RAMP的顶点电压。当电源转换器处于稳态时，电阻R两端的跨压为零，故可变的参考电压ACV为预设电压VREF。
请参照图7，在另一实施例中，瞬变电路7包括滤波器70及信号转换电路SCC。滤波器70包括电阻R及电容C。电阻R位于节点N1与N2之间。电容C耦接于节点N1与接地端GND之间。信号转换电路SCC包括电压随耦器BF1～BF2、电阻R3～R4、开关M及电流镜CM。电压随耦器BF1的一输入端耦接至节点N2且电压随耦器BF2的一输入端耦接至节点N1。电压随耦器BF2的另一输入端与输出端均耦接至电阻R3的一端。电阻R3的另一端耦接至电压随耦器BF1的另一输入端与开关M的一端。电压随耦器BF1的输出端耦接至开关M的控制端。开关M的另一端耦接电流镜CM的输入端。电阻R4耦接于电流镜CM的输出端与预设电压VREF之间。电阻R4与电流镜CM之间的节点N3输出可变的参考电压ACV。
当电源转换器处于稳态时，节点N1与N2的电压相等，使得电阻R、R3及R4的跨压均为零，故信号转换电路SCC输出的可变的参考电压ACV为预设电压VREF。
当抽载造成的瞬变发生时，感测电流IL上升，节点N2的感测电压VL亦随之上升，由于节点N1的电压VN1需对电容C充电，故上升速度较慢。电压随耦器BF1与BF2会在电阻R3两端形成电压差(VL-VN1)，并在电阻R3上产生(VL-VN1)/R3的电流，通过电流镜CM传递到节点N3并通过电阻R4转换为参考电压ACV的调整值。且此在电阻R3上产生的电流会随着电压VN1上升而减小，从而使参考电压ACV渐变回预设电压VREF。
相较于现有技术，本发明的电源转换器的控制电路中的斜坡信号的顶点电压在瞬变发生后随即渐变恢复至预设电压，使得抽载时斜坡信号不会受限于余量导致控制回路失效，故可克服传统的斜坡信号受限于工作电压(VCC)的缺点，以大幅提升电路设计的自由度。此外，由于控制回路能快速恢复正常运作，故能提供稳定的输出。

Claims (6)

1.一种电源转换器的控制电路，耦接一输出电路，其特征在于，上述控制电路包括：
一感测电路，耦接上述输出电路，以提供一电流感测信号；
一斜坡信号产生电路，包括一瞬变电路与一信号产生电路，上述瞬变电路耦接于上述感测电路与上述信号产生电路之间，上述瞬变电路接收上述电流感测信号且产生一可变的参考电压，上述信号产生电路依据上述可变的参考电压提供一斜坡信号；以及
一脉宽调变电路，耦接上述斜坡信号产生电路与上述输出电路，且依据上述斜坡信号提供一脉宽调变信号至上述输出电路，
其中当一抽载发生时，上述抽载持续一第一预设时间，在上述抽载时存在一瞬变状态，上述瞬变状态持续一第二预设时间，上述第二预设时间小于上述第一预设时间，上述瞬变电路在上述第二预设时间所提供的上述可变的参考电压由一预设值改变为一调整值，上述瞬变电路并在上述第二预设时间后恢复上述可变的参考电压为上述预设值。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，上述可变的参考电压为上述斜坡信号的顶点电压。
3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，上述瞬变电路包括：
一滤波器，耦接上述感测电路，接收一参考电压与上述电流感测信号，以产生上述可变的参考电压。
4.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于，上述滤波器包括一电阻与一电容，上述第二预设时间与上述电阻及上述电容产生的电阻-电容延迟有关。
5.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，上述瞬变电路包括：
一滤波器，包括一电阻及一电容，上述电阻与上述电容串接于一接地端与一感测电压之间，上述感测电压与上述电流感测信号有关；以及
一信号转换电路，分别耦接至上述电阻两端的一第一节点与一第二节点，以根据上述第一节点与上述第二节点之间的电压差提供上述可变的参考电压。
6.如权利要求5所述的控制电路，其特征在于，上述第二预设时间与上述电阻及上述电容产生的电阻-电容延迟有关。
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